左華楠，甘世行

（1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東 珠海 519082；3.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

國(guó)內(nèi)外優(yōu)質(zhì)海岸線逐漸減少，新建港口的海況愈發(fā)惡劣，施工期間經(jīng)常遇到惡劣的波浪條件，給施工船舶帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。惡劣海況下施工船舶搖蕩更加劇烈，且容易出現(xiàn)斷纜情況，對(duì)工程建設(shè)影響非常大，不僅影響施工質(zhì)量，工期難以保證，還嚴(yán)重威脅船機(jī)設(shè)備和作業(yè)人員的安全。因此有必要對(duì)工程船舶施工作業(yè)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜受力進(jìn)行研究，在外部環(huán)境荷載作用下，系泊纜由于布置形式、角度的差別，各根纜繩受力并不相同，船舶的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)也有較大差異。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)系泊系統(tǒng)做了大量研究。袁治巍等[1]基于MIKE 21 Mooring Analysis 系泊分析軟件，模擬研究在不同周期和入射角度的不規(guī)則波作用下系泊船舶運(yùn)動(dòng)。朱奇等[2]通過(guò)物理模型試驗(yàn)，研究風(fēng)浪流共同作用下系泊船舶的運(yùn)動(dòng)量和系纜力，分析泊位長(zhǎng)度與系纜方式對(duì)系泊船舶的影響。陳奇等[3]基于開(kāi)敞式碼頭，通過(guò)系泊船舶物理模型試驗(yàn)，在不同纜繩初張力下，針對(duì)2 種LNG 船型進(jìn)行了多種環(huán)境載荷下的纜繩張力和船舶運(yùn)動(dòng)量研究。宋向群等[4]運(yùn)用OPTIMOOR 系泊分析軟件，研究了系泊索屬性對(duì)開(kāi)敞式碼頭船舶系泊安全的影響。Shashikala 等[5]利用有限元法對(duì)碼頭系泊船舶進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)分析。沈雨生等[6]基于10 萬(wàn)噸級(jí)散貨船，進(jìn)行橫向不規(guī)則波作用下的系泊模型試驗(yàn)，在同一波高下變化入射波浪周期，通過(guò)系列試驗(yàn)，分析了波浪周期對(duì)系泊船舶橫移、橫搖和升沉運(yùn)動(dòng)的影響。宋偉華等[7]分析了長(zhǎng)周期波浪作用下周期、波高、入射角度對(duì)船舶系泊穩(wěn)定的影響，得出波高和入射角度對(duì)船舶升沉的影響極為明顯，周期對(duì)船舶縱移的影響最為明顯。肖鑫等[8]以某碼頭項(xiàng)目為例，通過(guò)后報(bào)波浪要素分析，得出工程區(qū)周期、波高的分布規(guī)律，利用MIKE21MA 軟件系統(tǒng)分析長(zhǎng)周期波浪作用下周期、波高對(duì)船舶系泊穩(wěn)定的影響。王丹[9]利用了懸鏈線方程，對(duì)錨泊設(shè)備進(jìn)行選型、獲得水深、水平外力、懸鏈張力等參數(shù)之間的變化關(guān)系。肖力旗等[10]利用AQWA 軟件對(duì)系泊集裝箱船進(jìn)行頻域水動(dòng)力分析和時(shí)域耦合分析，分析不同裝載狀態(tài)下，集裝箱船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的變化，評(píng)估裝卸作業(yè)下碼頭系泊安全。史憲瑩等[11]采用物理模型試驗(yàn)方法，對(duì)橫向較大周期波浪作用下的一艘大型系泊（LNG）船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。

國(guó)內(nèi)外對(duì)系泊系統(tǒng)的研究大多集中在貨船靠泊時(shí)的系泊分析、海洋工程單點(diǎn)系泊分析，鮮有對(duì)工程船舶施工作業(yè)時(shí)系泊系統(tǒng)的研究。本研究以3 850 DWT 甲板駁船為對(duì)象，基于水動(dòng)力分析軟件AQWA，考慮纜繩動(dòng)力學(xué)，應(yīng)用時(shí)域分析模塊建立系泊分析模型，針對(duì)惡劣海況下，工程船舶施工時(shí)的張緊式系泊，研究不同船舶擺位、系泊形式、系泊半徑、系泊張開(kāi)角度和系泊點(diǎn)數(shù)對(duì)工程船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及纜繩張力的影響。

1 分析模型

1.1 船舶主要參數(shù)

港口工程施工中，甲板駁船由于具有通用性好，可選擇性強(qiáng)和保有量高等特點(diǎn)，在水下開(kāi)挖、拋石和強(qiáng)夯等作業(yè)中應(yīng)用廣泛，綜合考慮船舶穩(wěn)性、載重量和吃水等特性，3 000~5 000 t 甲板駁船應(yīng)用較多。

以3 850 DWT 甲板駁船為研究對(duì)象，其設(shè)計(jì)為近海航區(qū)，主要用于沿海港口載運(yùn)工程輔料、塊狀石料及礦物質(zhì)，設(shè)計(jì)航速約為8.0 kn，船體主尺度見(jiàn)表1。

表1 甲板駁船主尺度Table 1 Principal dimension of deck barge

1.2 船舶水動(dòng)力建模

利用海洋工程勢(shì)流分析軟件AQWA 進(jìn)行水動(dòng)力建模和分析，依據(jù)船舶的形線圖，生成不同斷面的橫斷面結(jié)構(gòu)，通過(guò)蒙皮生成船舶三維面模型，以水線面為界面劃分水上和水下2 部分，模型按網(wǎng)格單元最大長(zhǎng)度2 m、特征容差1 m 的規(guī)格劃分網(wǎng)格，生成9 352 個(gè)面網(wǎng)格，并設(shè)置對(duì)應(yīng)的船舶排水量、重心坐標(biāo)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，獲得船舶的水動(dòng)力模型。

1.3 船舶幅值響應(yīng)算子RAO

為了獲得該船運(yùn)動(dòng)的RAO（幅值響應(yīng)算子，是浮體對(duì)應(yīng)自由度運(yùn)動(dòng)幅值與波幅的比）對(duì)該船開(kāi)展頻域分析，表征是在線性波浪作用下浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征，本質(zhì)上描述的是線性條件下入射波幅與浮體運(yùn)動(dòng)幅值的關(guān)系，頻域分析是后續(xù)時(shí)域分析的必要條件。在AQWA 中添加環(huán)境參數(shù)、船體重心坐標(biāo)和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，頻域分析取波浪周期為2~30 s（57 個(gè)波浪周期），波浪方向取-180°~180°（25 個(gè)波浪方向）。波面云圖如圖1 所示。

圖1 甲板駁船在波浪中的波面云圖Fig.1 Wave surface cloud chart of deck barge in waves

1.4 船舶系泊分析

為了獲得船舶的系泊纜繩張力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨時(shí)間的變化，需要對(duì)船舶進(jìn)行時(shí)域分析。工程船舶在施工作業(yè)時(shí)，通常纜繩都是處于張緊狀態(tài)，設(shè)定張緊式系泊與海底呈一定角度，系泊纜保持張緊狀態(tài)，系泊系統(tǒng)的恢復(fù)剛度來(lái)源于纜繩的軸向剛度。

對(duì)于5 000 t 以下的甲板駁船，當(dāng)浪高大于1 m 時(shí)，船舶的橫搖、垂蕩等運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較為明顯，對(duì)開(kāi)挖、拋石和強(qiáng)夯等水上作業(yè)影響較大，當(dāng)浪高大于2 m 時(shí)，大部分水上作業(yè)都很難進(jìn)行?；陔S機(jī)波浪JONSWAP 波浪譜，以1 m 有效波高、8 s 譜峰周期為基準(zhǔn)，分析不同系泊方式對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系泊纜張力的影響，再對(duì)比5 種典型波高周期組合，分析不同波高周期組合對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力的影響。

系泊系統(tǒng)的物理參數(shù)和各工況參數(shù)見(jiàn)表2。添加φ40 mm 鋼絲繩的材料參數(shù)，采用非線性懸鏈線法進(jìn)行系泊分析，分別輸入導(dǎo)纜孔坐標(biāo)和錨點(diǎn)坐標(biāo)，連接并設(shè)置系泊纜（見(jiàn)圖2），進(jìn)行時(shí)域分析，時(shí)域分析時(shí)間為3 600 s。

圖2 系泊系統(tǒng)設(shè)置Fig.2 Mooring system setup

表2 不同系泊方式計(jì)算工況表Table 2 Calculation condition table for different mooring methods

2 系泊系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響分析

船舶任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)分為縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖，其中對(duì)工程船施工影響最大的是橫搖、縱搖和垂蕩，是工程船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析的主要關(guān)注參數(shù)。

2.1 船舶擺位的影響

分析波浪荷載對(duì)船舶擺位的影響，設(shè)置船舶為4 點(diǎn)八字式的張緊系泊，船舶擺位與浪向的夾角分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°，不同擺位下系泊纜繩張力和船體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)見(jiàn)圖3。

圖3 不同波浪方向船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力Fig.3 Ship motion response and mooring cable tension in different wave directions

圖3 中纜力變化結(jié)果表明，波浪方向?qū)Υw的系泊纜張力影響重要，系泊纜力變化幅值隨著浪向角的增加而增加。運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果表明，船體縱搖在45°浪向最大，但最大角度均小于2°，因此浪向?qū)v搖影響不大。對(duì)于垂蕩和橫搖，其均隨著浪向角的增大而增大。在水工作業(yè)中，工程船舶對(duì)橫搖的敏感度最高，在波浪方向大于45°時(shí)，船舶橫搖角急劇增大，90°浪向角中，達(dá)到最大橫搖4.9°，接近工程船舶施工限制5°。

2.2 系泊形式的影響

較為常見(jiàn)的工程船舶系泊布置方式有八字式、人字式和交叉式，為了獲得不同系泊形式對(duì)系泊纜力和船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，以4 點(diǎn)八字式系泊系統(tǒng)為對(duì)比工況，分別對(duì)比人字式和交叉式對(duì)系泊纜動(dòng)力和船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，不同系泊形式的分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同系泊布置方式船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力Fig.4 Ship motion response and mooring cable tension in different mooring layout

圖4 中不同系泊形式下船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力結(jié)果表明，3 種系泊布置形式中，交叉式系泊剛度較大，其系泊纜力變化幅值最大；人字式系泊剛度較小，系泊纜力變化幅度最小。3 種系泊布置形式下，船體的垂蕩、橫搖、縱搖響應(yīng)結(jié)果無(wú)明顯差異。

2.3 系泊半徑的影響

為了獲得不同系泊半徑對(duì)系泊性能的影響，以4 點(diǎn)八字式系泊系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分別對(duì)比150 m、175 m 和200 m 的系泊半徑對(duì)系泊纜力和船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，不同系泊半徑的分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同系泊半徑船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力Fig.5 Ship motion response and mooring cable tension in different mooring radius

圖5 中結(jié)果表明，系泊纜力和船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅度都隨著系泊半徑增加而逐漸減少，主要原因是纜繩長(zhǎng)度增加降低了整體系泊剛度。在系泊系統(tǒng)選型中，可以通過(guò)調(diào)整系泊纜繩長(zhǎng)度改變系泊力的大小，進(jìn)而改善系泊系統(tǒng)的性能。3 種系泊半徑下，船體的垂蕩、橫搖和縱搖響應(yīng)結(jié)果無(wú)明顯差異。

2.4 系泊張開(kāi)角度的影響

在相同的外部條件下，考慮系泊纜的不同張開(kāi)角度對(duì)系泊系統(tǒng)和系泊動(dòng)力響應(yīng)的影響，在4點(diǎn)八字式系泊系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分別將系泊纜繩張開(kāi)角度改為30°、45°和60°，分析張開(kāi)角度變化對(duì)系泊系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能和系泊纜動(dòng)力性能的影響，分析結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同張開(kāi)角度船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力Fig.6 Ship motion response and mooring cable tension in different mooring open angles

圖6 中結(jié)果表明，隨著系泊張開(kāi)角度的增加，垂蕩、橫搖和縱搖的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果影響不大；但纜力變化幅度隨之增加，主要原因是張開(kāi)角度的增大，增加了波浪方向的系泊剛度，進(jìn)而減小了船舶各自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，同時(shí)，增加了系泊纜力的幅值。

2.5 系泊點(diǎn)數(shù)的影響

為了獲得不同系泊點(diǎn)數(shù)對(duì)系泊纜力和船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，分別以4 點(diǎn)、6 點(diǎn)和8 點(diǎn)張緊式系泊系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析不同系泊點(diǎn)數(shù)工況下系泊系統(tǒng)性能和船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，系泊系統(tǒng)布置和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 不同系泊點(diǎn)數(shù)船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力Fig.7 Ship motion response and mooring cable tension in different mooring points

圖7 中結(jié)果表明，隨著系泊系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)增加，系泊纜力變化幅度顯著減少，因?yàn)楦嘞挡蠢|分擔(dān)了浮體所受到的環(huán)境荷載。船體的垂蕩、橫搖和縱搖等運(yùn)動(dòng)響應(yīng)差別不大。

2.6 不同波高周期組合的影響

為了獲得不同波高周期組合對(duì)系泊纜力和船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，以4 點(diǎn)八字式系泊系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分別對(duì)比5 種典型波高周期組合，H1=0.5 m，T1=6 s；H2=1 m，T2=7 s；H3=1 m，T3=8 s；H4=1.5 m，T4=8 s；H5=2 m，T5=9 s。

不同波高周期組合的船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力分析結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同波浪組合船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力Fig.8 Ship motion response and mooring cable tension in different wave combination

圖8 中結(jié)果表明，隨著波高和周期的增加，系泊纜力變化幅度增大，船體垂蕩、橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)也隨之增大。同波高下，周期越大，系泊纜力和船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)越大；同周期下，波高越大，系泊纜力和船體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)越大，這是由于波高的大小反映了波浪的能量，并且長(zhǎng)周期波比短周期波也具有更大的能量。

3 成果應(yīng)用案例

揭陽(yáng)大南海海洋放流管工程是大南海石化工業(yè)園區(qū)配套輔助設(shè)施工程之一，建設(shè)排海規(guī)模為3.4 萬(wàn)m3/d 的尾水排放管道。放流管作為第一階段的尾水排放設(shè)施，尾水主要有2 股來(lái)水：中石油污水處理廠尾水和石化區(qū)綜合污水處理廠近期第一階段尾水。

揭陽(yáng)大南海海洋放流管工程，地處揭陽(yáng)南端近海區(qū)域，施工海況條件惡劣，涌浪頻繁，施工船舶橫搖響應(yīng)幅值較大，對(duì)施工船舶水下作業(yè)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，針對(duì)揭陽(yáng)區(qū)域的惡劣海況，通過(guò)對(duì)船舶擺位、系泊形式、系泊半徑等研究，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)浪情況，優(yōu)化系泊布置方式，有效減小了甲板駁船的橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，大大提高了甲板駁船海上作業(yè)的施工效率和精度，提前1 個(gè)月完成揭陽(yáng)市政府要求的施工節(jié)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以3 850 DWT 甲板駁船為例，利用水動(dòng)力分析軟件AQWA，分析了工程船舶施工時(shí)的張緊式系泊狀態(tài)下，不同船舶擺位、系泊形式、系泊半徑、系泊張開(kāi)角度和系泊點(diǎn)數(shù)對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及纜繩張力的影響，主要結(jié)論如下：

1） 甲板駁船對(duì)橫搖的敏感度最高，在波浪方向大于45°時(shí)，船舶橫搖響應(yīng)幅值迅速變大，90°浪向角時(shí)橫搖響應(yīng)幅值達(dá)到最大。

2） 交叉式系泊剛度較大，其系泊纜力變化幅值最大。人字式系泊剛度較小，系泊纜力變化幅度最小。系泊布置形式下，船體的垂蕩、橫搖、縱搖響應(yīng)結(jié)果無(wú)明顯差異。

3） 隨著系泊張開(kāi)角度的增加，船舶的垂蕩、橫搖和縱搖等運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果影響不大，但纜力變化幅度隨之增加。系泊纜力和船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅度都隨著系泊半徑增加而逐漸減少，施工時(shí)可通過(guò)調(diào)整系泊纜繩長(zhǎng)度改變系泊力的大小，進(jìn)而改善系泊系統(tǒng)的性能。

4） 隨著系泊系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)增加，系泊纜力變化幅度顯著減少，船體的垂蕩、橫搖和縱搖等運(yùn)動(dòng)響應(yīng)差別不大，施工時(shí)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)浪條件選擇系泊點(diǎn)數(shù)。

5） 同波高下，周期越大，系泊纜力和船體的垂蕩、橫搖和縱搖等運(yùn)動(dòng)響應(yīng)越大；同周期下，波高越大，系泊纜力和船體的垂蕩、橫搖和縱搖等運(yùn)動(dòng)響應(yīng)越大，波高和周期的大小反映了波浪的能量大小。